Supremazia quantistica: cosa hanno davvero promesso Google, IBM e la corsa ai qubit

Nell'aprile 2017 John Martinis si era dato una scadenza. Il responsabile del gruppo di ricerca quantistica di Google ha detto a MIT Technology Review che entro la fine di quell'anno il suo team avrebbe costruito un dispositivo capace di raggiungere la "supremazia quantistica", cioè di eseguire un calcolo particolare fuori dalla portata di qualsiasi computer convenzionale.

"Pensiamo di essere pronti a fare questo esperimento. È qualcosa che possiamo fare adesso", ha detto Martinis a MIT Technology Review. La prova sarebbe arrivata da una gara tra il chip di Google e uno dei supercomputer più grandi del mondo.

Questa era la promessa. Poi sono arrivati due anni e mezzo di fabbricazione, test, articoli trapelati e scetticismo pubblico su cosa misurasse davvero quel traguardo.

Cos'è un qubit, e perché nove è diventato 49

I chip quantistici conservano i dati in qubit, dispositivi che riescono ad aggirare alcuni calcoli difficili sfruttando la meccanica quantistica. Un bit convenzionale è 0 oppure 1. Un qubit può essere entrambe le cose insieme, in sovrapposizione, e questo permette a una macchina di elaborare molti stati contemporaneamente su certi problemi.

Questa è la teoria. L'ingegneria è più difficile. Come spiegava EE Journal in un pezzo del 2014 sull'approccio dell'Università della California, Santa Barbara, le operazioni quantistiche consistono nell'implementare rotazioni su gruppi di qubit entangled. Misurare il risultato fa collassare la sovrapposizione in una risposta che potrebbe non essere quella giusta. L'affidabilità non è un dettaglio secondario: l'articolo afferma che l'affidabilità non corretta deve superare il 99% prima che la correzione degli errori possa gestire il resto. I qubit della UCSB, chiamati transmon, operavano a circa 30 millikelvin sopra lo zero assoluto.

La famiglia di chip di Google è cresciuta sotto gli occhi di tutti. Nell'aprile 2017 l'azienda aveva pubblicato i risultati di un chip a nove qubit disposti in linea. Martinis ha detto che gli serviva una griglia di 49 qubit per l'esperimento sulla supremazia. Il dispositivo più recente a quel punto aveva solo sei qubit, ma disposti due per tre, così il team poteva verificare se la sua tecnologia funzionava ancora con i qubit affiancati. È stato testato anche un metodo di produzione in cui i qubit e il loro cablaggio di controllo vengono costruiti su chip separati e poi uniti tramite bump bonding, un approccio pensato per eliminare le linee di controllo in più che interferiscono con il funzionamento dei qubit.

"Quel processo funziona tutto", ha detto Martinis a MIT Technology Review. "Adesso siamo pronti a muoverci velocemente."

Google non era sola. L'articolo di MIT Technology Review elenca Intel, Microsoft, IBM e alcune startup tra i protagonisti della corsa ai processori quantistici. Simon Gustavsson, ricercatore di calcolo quantistico al MIT, ha detto alla testata che Google e IBM erano "piuttosto comparabili". Chris Monroe, professore all'Università del Maryland e cofondatore della startup IonQ, è stato più diretto sul valore dell'obiettivo: "Sarà un traguardo accademico. Dopo dovrai comunque capire come renderlo più scalabile e programmabile."

IBM risponde con 50 qubit

Nel novembre 2017 IBM ha rivendicato il record di scala. Dario Gil, che guidava la divisione di ricerca di IBM su calcolo quantistico e intelligenza artificiale, ha detto venerdì 10 novembre che gli scienziati dell'azienda avevano costruito e misurato con successo un prototipo di processore da 50 qubit, secondo l'Associated Press, che ha riportato l'annuncio tramite The Seattle Times.

Gil ha detto che era la prima volta che un'azienda costruiva un computer quantistico a quella scala. Seth Lloyd, professore di ingegneria meccanica al MIT non coinvolto nella ricerca di IBM, ha detto all'AP che IBM aveva probabilmente ancora difetti da risolvere, ma che l'annuncio dei 50 qubit era un segno di progresso significativo.

A una conferenza sul calcolo quantistico per le imprese al NASA Ames nel dicembre 2017, riportata da Gizmodo, Martinis ha contestato l'idea di contare i qubit come se fosse un tabellone. "I comunicati stampa parlano sempre di corsa allo spazio quantistico in numero di qubit", ha detto. "È più di una semplice quantità, è la qualità dei qubit."

Gizmodo ha riferito che quel mese Google stava fabbricando il suo dispositivo per la supremazia da 49 o 50 qubit e che avrebbe iniziato i test due settimane dopo, vacanze di Natale permettendo. Martinis ha descritto cosa avrebbe comportato l'esperimento: intrecciare i qubit, lasciare che il sistema si evolva e misurare esiti la cui distribuzione di probabilità è così complessa che una macchina classica dovrebbe simulare il computer quantistico per verificarla. Una simulazione del genere potrebbe richiedere settimane per fare ciò che il computer quantistico farebbe in minuti.

Qualità significava qubit che non producono il valore sbagliato e non decadono in bit ordinari interagendo con l'ambiente. Il teorico del Caltech John Preskill, intervenuto alla stessa conferenza, ha definito il periodo attuale era NISQ, acronimo di computer quantistico rumoroso a scala intermedia, e ha detto che il progresso verso una macchina tollerante ai guasti doveva continuare.

La rivendicazione dei 200 secondi

Il risultato è arrivato nel settembre 2019, anche se non come Google aveva pianificato. Fortune ha riferito il 20 settembre di aver ottenuto una copia dell'articolo di Google, pubblicato su NASA.gov all'inizio di quella settimana prima di essere rimosso. Il Financial Times ha riportato la notizia per primo. Un portavoce di Google ha rifiutato di confermare l'autenticità dell'articolo e la NASA non ha risposto immediatamente a una richiesta di commento, secondo Fortune.

Una fonte di Google ha suggerito a Fortune che la NASA aveva pubblicato l'articolo in anticipo, prima che le affermazioni potessero essere verificate tramite peer review, un processo che secondo la fonte poteva richiedere da settimane a mesi.

I numeri centrali dell'articolo, come riportati da Fortune: il processore di Google, soprannominato Sycamore, conteneva 53 qubit, ridotti rispetto a un dispositivo da 72 qubit chiamato Bristlecone che il team aveva progettato in precedenza. Campionare un'istanza di un circuito quantistico specializzato 1.000.000 di volte ha richiesto al processore circa 200 secondi, mentre un supercomputer all'avanguardia avrebbe bisogno di circa 10.000 anni per il compito equivalente, hanno detto i ricercatori. Su un server di Google Cloud lo stesso esperimento avrebbe richiesto circa 50.000.000.000.000 di ore; sul processore quantistico ne ha impiegate 30.

"Mentre il nostro processore impiega circa 200 secondi per campionare un'istanza del circuito quantistico 1.000.000 di volte, un supercomputer all'avanguardia richiederebbe circa 10.000 anni per eseguire il compito equivalente."

I ricercatori hanno scritto che i processori quantistici basati su qubit superconduttivi potevano ormai eseguire calcoli fuori dalla portata dei supercomputer classici più veloci disponibili oggi, e che l'esperimento segnava il primo calcolo eseguibile solo su un processore quantistico. Hanno anche previsto che la potenza di calcolo quantistico sarebbe cresciuta a un ritmo doppiamente esponenziale, superando il raddoppio di circa due anni della legge di Moore.

Le obiezioni

Dario Gil di IBM, ormai a capo di IBM Research, ha detto a Fortune che il risultato non dovrebbe essere usato come metrica di progresso. "L'esperimento e il termine 'supremazia' saranno fraintesi da quasi tutti", ha detto, descrivendolo come un esperimento di laboratorio in un caso altamente speciale, senza applicazioni pratiche. "I computer quantistici non regneranno mai 'supremi' su quelli classici, ma lavoreranno piuttosto in concerto con loro, dato che ognuno ha i suoi punti di forza unici."

Jim Clarke, direttore dell'hardware quantistico di Intel Labs, ha definito l'aggiornamento "un segnale di miglio notevole" e ha detto che un computer quantistico commercialmente valido avrebbe richiesto molti altri progressi nella ricerca e nello sviluppo. "Anche se lo sviluppo è ancora al primo miglio di questa maratona, crediamo fermamente nel potenziale di questa tecnologia", ha detto.

IBM aveva il suo modo di tenere il punteggio. Nel marzo 2019, ha riferito ZDNET, IBM ha indicato un Quantum Volume di 16 per il suo Q System One, che ha un processore da 20 qubit, il doppio del Quantum Volume di 8 del suo precedente sistema IBM Q. Il Quantum Volume combina numero di qubit, connettività e tempo di coerenza, tenendo conto degli errori di gate e di misurazione, del cross talk tra dispositivi e dell'efficienza del compilatore. IBM ha detto che il Quantum Volume avrebbe dovuto raddoppiare ogni anno per raggiungere il Quantum Advantage, il punto in cui le applicazioni quantistiche offrono vantaggi significativi rispetto ai computer classici, nel giro di un decennio.

Questa impostazione, la qualità prima del numero grezzo, è quella sopravvissuta ai titoli del 2019. L'articolo di Google inquadrava il risultato come il passaggio del calcolo quantistico da tema di ricerca a tecnologia che apre nuove capacità di calcolo, aggiungendo che il campo era "a un solo algoritmo creativo di distanza da applicazioni a breve termine di valore".

Letti insieme, i record del 2017 e del 2019 descrivono un traguardo reale, ristretto e molto contestato. Un chip da 53 qubit ha campionato un circuito in 200 secondi che un supercomputer avrebbe impiegato millenni a riprodurre. Non ha eseguito un programma utile, e a dirlo per primi sono stati proprio quelli che costruivano macchine concorrenti.

Lo schema è destinato a ripetersi. Google ha fissato la scadenza nell'aprile 2017, IBM ha rivendicato 50 qubit nel novembre 2017, e l'articolo sulla supremazia è emerso nel settembre 2019. Ogni annuncio ha riportato la discussione su quale numero significhi progresso.